I. Реакции замещения

1. Восстановление (замещение галогена на водород) может быть осуществлено каталитическим гидрированием или действием алюмогидридом лития LiAlH₄ , боргидрид натрия NaBH₄ и других восстановителей.

R–I + H–I  R–H + I₂

2. Гидролиз (замещение галогена на гидроксил)

Реакцию обычно проводят в щелочной среде. Равновесие полностью

сдвинуто вправо за счет связывания галогеноводорода щелочью

Геминальные дигалогенопроизводные (содержащие два атома галогена

при одном углеродном атоме) при этом образуют альдегиды или кетоны.

R–CHCl₂ + 2 H₂O  [R–CH(OH)₂]  R–CH=O

(— H₂O)

Геминальные тригалогенопроизводные гидролизуются легче, даже в

кислой среде

Cl OH

│ │

R–C– R' + 2 H₂O  [ R–C– R' ]  R–C– R'

│ │ (— H₂O) ║

Cl OH O

3. Реакции с алкоголятами (фенолятами) щелочных металлов (образование

простых эфиров по Вильямсону)

например:

СH₃CH₂ONa + CH₃СH₂CH₂Cl  СH₃CH₂ –O–СH₂CH₂CH₃ + NaCl

этилат натрия хлористый пропил этилпропиловый эфир

С этой реакцией конкурирует реакция отщепления галогеноводорода.

4. Образование сложных эфиров. Классической реакцией является взаимо-

действие галогеналканов с серебряными солями карбоновых кислот:

CH₃СH₂CH₂Br + CH₃COOAg  CH₃COOCH₂СH₂CH₃ + AgBr↓

бромистый пропил ацетат серебра пропиловый эфир

уксусной кислоты

Возможно также применение солей щелочных металлов в полярных

растворителях.

5. Образование меркаптанов и дисульфидов. Галогеналканы легко взаимо-

действуют с сульфидами и гидросульфидами щелочных металлов:

2 CH₃CH₂Br + K₂S  СH₃CH₂ – S –CH₂CH₃ + 2 KBr

диэтилсульфид

СH₃CH₂SNa + CH₃I  СH₃CH₂ – S – CH₃ + NaI

метилэтилсульфид

(CH₃)₂СHCH₂Br + NaHS  (CH₃)₂СHCH₂–SH + NaBr

бромистый изобутил изобутилмеркаптан

6. Взаимодействие с аммиаком и аминами.

Реакция широко используется для синтеза аминов

CH₃I + NH₃  CH₃NH₂ |+ HI

Взятый в большом избытке аммиак связывает образующийся галогено-водород ( NH₃ + HI  NH₄I). Галогеноводород может также связываться избытком исходного амина или добавлением щелочного реагента.

CH₃I + СH₃CH₂ –NH₂  СH₃CH₂ –NH–CH₃ • HI

йодистый метилэтиламмоний

(йодгидрат метилэтиламмония)

6. Получение нитросоединений. Галогеналканы взаимодействуют с нитритами серебра или щелочных металлов в полярных растворителях

(CH₃)₂СHBr + AgNO₂  (CH₃)₂СH–NO₂ + AgBr ↓

2-бромпропан 2-нитропропан

В сольватирующих растворителях (вода, спиртах) могут образовываться также нитриты R–O–N=O (эфиры азотистой кислоты).

6. Реакция с цианидами позволяет удлинить в молекуле цепочку углеродных атомов

нитрил масляной кислоты

Реакция с солями серебра дает, преимущественно изонитрилы.

6. Алкилирование ароматических соединений. Галогеналканы алкилируют бензол в присутствии хлорида алюминия (реакция Фриделя – Крафтса)

этилбензол

6. Замещение галогена галогеном (см. с. 82). Реакция применяется для получения фторидов и йодидов из более доступных хлоридов и бромидов.

Основные превращения галогенопроизводных углеводородов см. на схеме

на с. 88.

Нетрудно заметить, что во всех реакциях связь между углеродом и новым заместителем образуется за счет пары электронов, предоставленной этим заместителем, а электронная пара разрывающейся связи С–Hal уходит с анионом галогена.

При реакции происходит атака нуклеофильной частицы, поставляющей электронную пару ( ^¯OH, ^¯OR, ^¯CN, :NH₃ , Hal^¯, NO₂^¯ и др. на атом углерода. Такие реакции называются реакциями нуклеофильного замещения S_N (substitution nucleofilic).

Для реакций замещения галогена при насыщенном атоме углерода достоверны два механизма S_N1 и S_N2. Особенно хорошо они изучены на примере реакции гидролиза.

Нуклеофильное замещение первого порядка (S_N1).

Скорость реакции гидролиза может быть пропорциональна концентрации галогеналкана в первой степени и не зависить от концентрации щелочи

v = k • [ (CH₃)₃C–Br]

Рассмотрим механизм этой реакции. Скорость реакции определяется скоростью наиболее медленной ее стадии. Следовательно в медленной стадии ионы гидроксила участия не принимают. На первой, медленной стадии происходит диссоциация молекулы галогенопроизводного на анион галогена и карбкатион.

Вторая, быстрая стадия заключается в присоединении к карбкатиону иона гидроксила или молекулы воды. Суммарная скорость реакции не изменяется.

.

Нуклеофильное замещение второго порядка (S_N2).

Скорость реакции прямо пропорциональна и концентрации галогеналкана и нуклеофила. Следовательно в медленной стадии принимают участие оба реагента

v = k • [CH₃CH₂C1] • [ ^-ОН ]

На медленной стадии образуется переходное состояние, от которого быстро отщепляется анион галогена.

Порядок реакции нуклеофильного замещения определяется:

1. стабильностью соответствующего карбкатиона;

2. доступностью атома углерода для атаки нуклеофильной частицей.

Известно, что третичные карбкатионы наиболее стабильны, а первичные – наименее. Первичные же атомы углерода наиболее доступны для атаки, а третичные – наименее из-за пространственных затруднений. Естественно, что замещение у третичного атома углерода должно идти по механизму S_N1, а у первичного – по S_N2. Так оно на самом деле и происходит. Замещение же при вторичном атоме углерода может идти и по S_N1, и по S_N2, и по двум механизмам одновременно. Скорость реакции, как правило, ниже, чем в случае третичных или первичных галогеналканов.

Механизм реакции изучают, исследуя ее кинетику и стереохимию.

Стереохимия механизма S_N1.

Промежуточно образующийся карбкатион имеет плоское строение, поэтому подход нуклеофила и его присоединение равновероятно с обеих сторон. Если возможно образование двух пространственных изомеров, то они образуются в примерно равных количествах

транс-2-хлор-1- цис-2-метилцикло- транс-2-метил-метилциклопентан пентанол-1 циклопентанол-1

Мономолекулярные реакции часто осложняются побочными процессами, связанными со склонностью карбокатионов к перегрппировкам.

Так, гидролиз 1-хлор-2-метилпропана в результате 1,2-гидридного сдвига приводит не к 2-метилпропанолу-1, а к трет-бутанолу.

Стереохимия механизма S_N2. В переходном состоянии центральный атом углерода и три заместителя лежат в одной плоскости. Естественно, нуклеофильная частица подходит со стороны, противоположной атому галогена. В случае, если возможно образование пространственных изомеров, то образуется лишь один из них.

транс-2-хлор-1- переходное цис-2-метилцикло-

метилциклопентан состояние пентанол-1

Происходит полное обращение конфигурации.

В некоторых примерах реакций S_N возможны два направления протекания процесса, приводящие к образованию различных веществ. Это происходит благодаря способности некоторых нуклеофилов проявлять амбидентные свойства, т.е. обладать в зависимости от условий реакции двойственной реакционной способностью. Так, результат нуклеофильной атаки нитрит-анионом на молекулу алкилгалогенида в зависимости от механизма замещения будет различным: при S_N1 нитрит-анион атакует местом наибольшей отрицательности, т.е. кислородным атомом, образуя 2-гексилнитрит (эфир азотистой кислоты R–O–N=O); при S_N2 – местом наибольшей нуклеофильности, т.е. атомом азота, в результате чего образуется нитросоединение R–NO₂. Образование смеси продуктов свидетельствует о том, что оба механизма имели место. Для того, чтобы повысить степень протекания S_N1 – реакции (приводящей к 2-гексилнитриту) следует использовать еще более полярный, чем этанол, растворитель или заменить нитрит натрия на нитрит серебра, поскольку ионы Ag⁺ способствуют гетеролизу связи углерод – галоген, т.к. образуется практически недиссоциированный AgBr. Чтобы повысить выход 2-нитрогексана продукта реакции S_N2 – реакции, надо использовать ДМФА, являющийся апротонным биполярным растворителем, не способным сольватировать анионы за счет образования водородных связей с ними, но сольватирующий катионы Na⁺ . Вследствие этого анионы обладают большей степенью свободы и являются более сильными нуклеофилами.

Подобно нитрит-аниону NO₂^ двойственной реакционной способностью, обладает также цианид-анион имея два нуклеофильных центра, различающихся по основности: . Направление реакции зависит от механизма реакции. В водно-этанольной среде (а) образуется смесь нитрила (основной продукт) и изонитрила (побочный продукт); применение AgCN сдвигает реакцию в область S_N1 – образуется изонитрил (б); в ДМФА протекает S_N2 с образованием нитрила (в).

Материал, изложенный выше, относился к замещению галогена у насыщенного углеродного атома. Атомы галогена, находящиеся у ненасыщенного атома углерода (в состоянии sp² или sp-гибридизации), значительно менее подвижны. Связь С–Hal короче и прочнее связи в насыщенных галогенопроизводных, благодаря эффекту сопряжения. К группе галогенопроизводных с пониженной реакционной способностью принадлежат арилгалогениды, в которых атом галогена связан непосредственно с углеродом ароматического цикла. Галогены обладают положительным мезомерным эффектом (+М), находятся в сопряжении с ароматическим кольцом и электронная плотность частично втянута в цикл. Связь углерод-галоген частично двойная, значительно прочнее связи углерод (sp³)-галоген.

В реакциях ароматического электрофильного замещения галогены являются дезактивирующими заместителями и орто-пара-ориентантами.

Напротив, реакционная способность атома галогена в аллильном положении очень высока. Замещение его всегда идет по механизму S_N1.

^¯OH

СH₂=CH–CH₂–Cl  Cl^- + СH₂=CH–C⁺H₂  СH₂=CH–CH₂–OH

В карбкатионе положительный заряд компенсируется наполовину сдвигом

½ + ½ +

π-электронов соседней двойной связи CH₂ ^ CH ^ CH₂ поэтому равно-вероятно присоединение и к 1- и к 3-атомам углерода. В более сложных соединениях может образоваться смесь изомерных продуктов замещения.

CH₃

СH₃–СH=CH–CH₂–Cl +NaCN СH₃–СH=CH–CH₂–CN + СH₂=СH–CH–CN

-NaCl нитрил 3-пентеновой нитрил 2-метил-3-

кислоты -бутеновой кислоты

Вследствие сопряжения неподеленной пары электронов с единым π-электронным облаком атом галогена в бензольном ядре наиболее инертен. Замещение в мягких условиях может проходить лишь при наличии в ядре активирующих заместителей.

Здесь реализуется механизм нуклеофильного замещения второго порядка, но переходное состояние внешне напоминает σ-комплекс в электрофильном замещении. Такой механизм принято называть S_N2 (аром.). Сильные акцепторы поляризуют бензольное кольцо, наводя положительный заряд в о- и п-положениях. Фтор в меньшей степени, чем другие галогены способен компенсировать δ+ за счет +С-эффекта, поэтому влияние на его подвижность заместителей-акцепторов наиболее сильно

Поскольку галогеноарены – соединения с низкой реакционной способностью – реакции нуклеофильного замещения, характерные для насыщенных галогенопроизводных, в этом ряду не имеют такого большого значения.

В отсутствие электронодонорных заместителей атомы галогенов в бензольном ядре замещаются на гидроксил только в весьма жестких условиях.

пара-Нитрохлорбензол вступает в аналогичную реакцию уже при 160^о.

Еще легче протекает замещение галогена в ди- и тринитрохлорбензолах.

Также в жестких условиях, в присутствии катализатора Ульмана (мелкораздробленная медь) протекают и другие реакции замещения галогена.

Замещение атома хлора и брома на аминогруппу происходит под действием амида натрия в жидком аммиаке.

В боковой цепи ароматических галогенопроизводных атом галогена, удаленный от ядра, обладает нормальной подвижностью галогена в предельных соединениях. В α-положении к ядру галоген особенно подвижен. Замещение его всегда идет по механизму S_N1.

При диссоциации образуется один из самых стабильных карбкатионов, где заряд компенсируется сдвигом π-электронного облака.

Итак, можно написать два ряда сравнительно подвижности атома галогена в молекулах галогенопроизводного (реакционная способность в приведенных рядах падает слева направо):